金屬氧化物的硅熱還原形成低共熔復(fù)合材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種通過硅熱還原制備低共熔合金主體的方法。所述方法可包括：加熱包括硅和包含一種或更多種金屬元素M與氧的金屬氧化物的混合物；從所述混合物形成低共熔合金熔體；以及從所述低共熔合金熔體移除熱，從而形成所述低共熔合金主體，所述低共熔合金主體具有包含硅的第一相與作為硅化物相的第二相的低共熔聚集體。
【專利說明】金屬氧化物的硅熱還原形成低共熔復(fù)合材料

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開整體涉及低共熔合金，更具體地講涉及包含硅（Si)的低共熔合金組合物。

【背景技術(shù)】
[0002] 本節(jié)中的陳述僅提供與本公開有關(guān)的背景信息，并且可能并不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。
[0003] 硅低共熔組合物作為結(jié)構(gòu)和耐磨組件而受到了極大的技術(shù)關(guān)注。這些"可澆鑄的 陶瓷"材料可具有與某些技術(shù)陶瓷相似的機(jī)械特性，包括良好的耐磨性、腐蝕行為、韌度和 強(qiáng)度。例如，Si-CrSi 2低共熔合金復(fù)合材料已得到了研究，并且其機(jī)械特性類似于或優(yōu)于許 多技術(shù)陶瓷。還已認(rèn)識到，這些合金可通過熔鑄工藝制造（參見例如WO 2011/022058)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本文描述了使用金屬氧化物的硅熱還原制造硅低共熔合金的方法。此外，根據(jù)本 公開的教導(dǎo)描述了具有一種或更多種娃化物的娃低共烙合金。
[0005] 根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供了通過硅熱還原制備低共熔合金組合物的方法。該 方法可包括：加熱包括硅和包含一種或更多種金屬元素M與氧的金屬氧化物的混合物，從 混合物形成低共熔合金熔體，以及從低共熔合金熔體移除熱。該方法還包括形成低共熔合 金組合物，其包括硅、所述一種或更多種金屬元素M、以及包含硅的第一相與作為硅化物相 的第二相的低共熔聚集體。例如，第二相可具有式MSi 2并且第二相可以為二硅化物相。
[0006] 根據(jù)本公開的另一方面，提供了硅低共熔合金組合物。該硅低共熔合金組合物可 包括主體，所述主體包括具有硅的低共熔合金、一種或更多種金屬元素M、以及包含硅的第 一相與作為硅化物相的第二相的低共熔聚集體。該主體還可以包括包含金屬氧化物的第三 相，其中該金屬氧化物包含所述一種或更多種金屬M(fèi)。
[0007] 該硅低共熔合金組合物可有利地用于許多行業(yè)，諸如以舉例的方式，化工、石油與 天然氣、半導(dǎo)體、機(jī)動(dòng)車、航空航天、機(jī)器零件和太陽能行業(yè)等等，在這些行業(yè)中需要表現(xiàn)出 良好的斷裂韌度和耐磨性的組件。
[0008] 通過本文提供的說明，其他適用領(lǐng)域?qū)⒆兊蔑@而易見。應(yīng)當(dāng)理解，說明和具體實(shí)例 旨在僅用于示例目的，而非旨在限制本公開的范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 本文所述附圖僅用于示例目的，而非旨在以任何方式限制本公開的范圍。
[0010] 圖 1 是得自 ASM Alloy Phase Diagrams Center, P. Villars，editor-in-chief, H. Okamoto and K. Cenzual, section editors, ASM International, Materials Park, OH, USA, 2006-2011 (ASM 合金相圖中心，總編 P Viliars，章節(jié)編輯 H. Okamoto 和 K. Cenzual，美國國際金屬學(xué)會(huì)，美國俄亥俄州材料公園，2006-2011年）的Cr-Si相圖；
[0011] 圖2是垂直于通過定向凝固制備的低共熔合金樣品表面而對齊的桿狀加強(qiáng)相結(jié) 構(gòu)的光學(xué)顯微圖；
[0012] 圖3A-3B是在反應(yīng)后（A) Si-Cr2O3反應(yīng)產(chǎn)物（在反應(yīng)前使用緊密混合物和分層起 始材料）和（B) Si-V2O5反應(yīng)產(chǎn)物的粉末X射線衍射圖，表明只存在所需的硅和MSi2反應(yīng)產(chǎn) 物，其中所有X射線衍射圖還表明存在約1-2%的來自相關(guān)熔融二氧化硅反應(yīng)容器的SiO 2 產(chǎn)物；以及
[0013] 圖4A-4F是（A-B)實(shí)例1、（C-D)實(shí)例2和（E-F)實(shí)例3的掃描電鏡圖，分別顯示 了具有一些Si初生晶粒的Si-CrSi 2體系的低共熔微結(jié)構(gòu)，與由金屬Cr制備的樣品的低共 熔結(jié)構(gòu)相似的更均勻的微結(jié)構(gòu)，和Si-VSi2低共熔微結(jié)構(gòu)。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 以下說明實(shí)質(zhì)上僅為示例性的，并且決不旨在限制本公開或其應(yīng)用或用途。應(yīng)當(dāng) 理解，在整個(gè)說明中，相應(yīng)的參考編號指示相同或相應(yīng)的部件或特征。
[0015] 本公開整體涉及使用硅和金屬氧化物制備硅低共熔合金組合物的方法。給出以下 具體實(shí)施例以闡述根據(jù)本公開的教導(dǎo)的硅低共熔合金組合物的設(shè)計(jì)和使用，它們不應(yīng)被視 為限制本公開的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明應(yīng)當(dāng)理解，可以在不脫離或超出本發(fā) 明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，在本文所公開的具體實(shí)施例中做出許多改變且仍獲得相同或類 似的結(jié)果。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將理解的是，在本文記錄的任何性質(zhì)表示以常規(guī)方式測得 的性質(zhì)并可通過多種不同的方法獲得。本文所述的方法表示一種這樣的方法，并且可在不 超出本發(fā)明的范圍的情況下使用其他方法。
[0016] 在不事先形成金屬起始組分的情況下直接加工和獲取復(fù)合材料因易于加工和降 低的原料成本而受到了極大的關(guān)注。具體地講，從金屬氧化物和硅直接產(chǎn)生Si低共熔合金 提供了不使用成本高的金屬制備工藝而得到低共熔合金復(fù)合結(jié)構(gòu)的途徑。氧化物價(jià)格通常 只占金屬起始材料的成本的5-10%。例如，目前對于鉻而言，2kg金屬的成本將為約1100 美元,而2kg氧化鉻的成本將為約100美元。
[0017] 對于某些硅低共熔合金，諸如Si-CrSijP Si-VSi2，通過金屬氧化物MxOy (例如 Cr2O3或V2O5)的硅熱還原制備的低共熔的所得微結(jié)構(gòu)與其中將金屬M(fèi)(例如鉻（Cr)或釩 (V))用作起始材料的那些并無二致。粉末X射線衍射結(jié)果表明只存在Si、MSi 2和少量來自 反應(yīng)容器的SiO2。機(jī)械特性因相似的微結(jié)構(gòu)而預(yù)計(jì)將與通過金屬起始材料制備的材料的那 些機(jī)械特性相似。
[0018] 作為背景，下文首先描述包含硅（Si)和金屬元素（M)的低共熔合金的一般說明。 元素Si和M的低共熔反應(yīng)可描述如下：
[0019] (I) L ? Si+ MSi2,或
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種通過硅熱還原制備低共熔合金主體的方法，所述方法包含： 加熱包括硅和包含一種或更多種金屬元素 M與氧的金屬氧化物的混合物； 從所述混合物形成低共熔合金熔體； 從所述低共熔合金熔體移除熱，從而形成所述低共熔合金主體，所述低共熔合金主體 具有包含硅的第一相與作為硅化物相的第二相的低共熔聚集體，所述硅化物相包含所述金 屬氧化物的金屬元素 M。
2. 根據(jù)任何權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述低共熔合金熔體包含通過所述硅還 原所述金屬氧化物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述還原步驟包含產(chǎn)生氧化硅氣體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其包含移除所述氧化硅氣體以免與所述混合物發(fā)生化 學(xué)反應(yīng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其中所述氧化娃氣體包含一氧化娃。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述混合物包含第一硅原子濃度，并 且所述低共熔合金組合物包含小于所述第一硅原子濃度的第二硅原子濃度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中選擇所述第一硅原子濃度以使得所述低共熔合金 組合物基本上由所述低共熔聚集體組成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述低共熔合金組合物包含低于1原 子％的氧化物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述低共熔合金組合物還包括包含所 述金屬氧化物的一部分的第三相。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述一種或更多種金屬元素 M包含選 自以下的至少一種元素：鉻、釩、鎢、錳、鎂、鈮、鉭和鈦。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第二相具有式MSi2并且所述第 二相為二硅化物相。
12. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第一相為元素硅相并且其中所述二硅化物 相選自 CrSi2、VSi2、NbSi2、TaSi2、MgSi 2、MoSi2、WSi2、CQSi2、TiSi 2、ZrSi2 和 HfSi2。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述混合物包含一種或更多種另外 的合金元素。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述硅包含太陽能級硅。
15. -種硅低共熔合金組合物，其包含： 主體，所述主體包含包括硅的低共熔合金、一種或更多種金屬元素 M、以及包含硅的第 一相與作為二硅化物相的第二相和包含金屬氧化物的第三相的低共熔聚集體，其中所述金 屬氧化物包含所述一種或更多種金屬元素 M，并且其中所述主體包含至少1重量％的所述 金屬氧化物。
【文檔編號】C01B33/06GK104321278SQ201380025909
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2013年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月21日
【發(fā)明者】杰里米·畢比, 馬修·加夫, 瓦斯根·莎瑪米安, 蘭德爾·西格爾, 約瑟夫·蘇茨曼, 詹姆斯·揚(yáng)格 申請人:道康寧公司